CN112886284A - 辐射单元方向图调控结构及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，公开了一种辐射单元方向图调控结构及调控方法，其中调控结构包括用于设在辐射单元上方的引向片，引向片包括介质基板和设于介质基板上的呈规律性分布的若干个结构单元，引向片用于在辐射单元的上方形成超表面实现对辐射单元方向图的调控。本发明提供的一种辐射单元方向图调控结构及调控方法，设置分布有结构单元的引向片，可在辐射单元的上方通过结构单元使辐射单元辐射的电磁波在不同位置处发生相位突变，进而改变电磁波的传播路径，可实现辐射单元方向图的人为操控，进而可有效调节辐射指标及电路指标，实现天线指标可调；且该引向片设在辐射单元的上方，可减少在天线安装面上的占用空间，提高了天线空间利用率。

Description

辐射单元方向图调控结构及调控方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种辐射单元方向图调控结构及调控方法。

背景技术

辐射单元是天线设计过程中至关重要的一部分，它承担着天线发射和接收电磁波的功能。现阶段天线往往是双极化结构，以至于它可以在两种极化模式下同时工作，因此大大的减少了天线中辐射单元数目并提高了空间利用率。

现阶段而言，天线的复杂程度越来越高，如何在有限空间内尽可能调节天线的性能指标一直是一大难题。单纯通过辐射单元两侧边界来调节辐射指标及电路指标，明显是不够的，往往无法达到预期效果，此外过多的振子边界占用大量的天线空间，导致天线空间利用率降低。因此提出一种能调节辐射单元的辐射指标及电路指标，解决天线指标调试问题是非常重要的。

发明内容

本发明提供一种辐射单元方向图调控结构及调控方法，用以解决现有技术中调节辐射单元指标的方案无法达到预期效果，天线辐射指标调节困难的问题。

本发明提供一种辐射单元方向图调控结构，包括用于设在辐射单元上方的引向片，所述引向片包括介质基板和设于所述介质基板上的呈规律性分布的若干个结构单元，所述引向片用于在辐射单元的上方形成超表面实现对辐射单元方向图的调控。

根据本发明提供的一种辐射单元方向图调控结构，所述结构单元包括设于所述介质基板上的印刷电路结构；或者所述结构单元包括设于所述介质基板上的缝隙以及设于所述缝隙中的液态金属或磁性材料；或者所述结构单元包括设于所述介质基板上的通孔。

根据本发明提供的一种辐射单元方向图调控结构，每个所述结构单元均呈中心对称结构；若干个所述结构单元整体呈对称结构。

根据本发明提供的一种辐射单元方向图调控结构，若干个所述结构单元呈阵列分布，任一列中的所述结构单元的尺寸相同，在阵列对称线的一侧不同列中的所述结构单元的尺寸不同。

根据本发明提供的一种辐射单元方向图调控结构，若干个所述结构单元呈同心圆分布，且相邻两个圆上的所述结构单元的尺寸不同。

本发明还提供一种辐射单元方向图调控方法，基于上述辐射单元方向图调控结构，包括：在辐射单元上方设置分布有结构单元的引向片以在辐射单元上方形成超表面；利用引向片形成的超表面，实现对辐射单元方向图的调控。

根据本发明提供的一种辐射单元方向图调控方法，利用引向片形成的超表面，实现对辐射单元方向图的调控具体包括：确定辐射单元的目标方向图指标；根据目标方向图指标，设计确定所适用的引向片上结构单元的分布形式、形状和尺寸。

根据本发明提供的一种辐射单元方向图调控方法，根据目标方向图指标，设计确定所适用的引向片上结构单元的分布形式、形状和尺寸具体包括：根据目标方向图指标，确定引向片上结构单元的分布形式；根据目标方向图指标以及结构单元的分布形式，确定结构单元的目标相位；根据结构单元的目标相位，确定结构单元的形状和尺寸。

根据本发明提供的一种辐射单元方向图调控方法，根据目标方向图指标以及结构单元的分布形式，确定结构单元的目标相位具体包括：根据以下公式确定结构单元的目标相位：

其中，

为目标相位，k为波矢，R为波束聚焦半径，h为结构单元对应的位置。

根据本发明提供的一种辐射单元方向图调控方法，根据结构单元的目标相位，确定结构单元的形状和尺寸具体包括：设定结构单元的形状和尺寸；利用仿真软件的参数扫描功能获得在该设定的形状和尺寸下，结构单元的目标相位的覆盖范围；判断结构单元的目标相位的覆盖范围是否满足360°范围；若是，则以该设定的形状和尺寸作为结构单元确定的形状和尺寸。

本发明提供的一种辐射单元方向图调控结构及调控方法，设置分布有结构单元的引向片，可在辐射单元的上方通过结构单元谐振使辐射单元辐射的电磁波在不同位置处发生相位突变，进而改变电磁波的传播路径，可实现辐射单元方向图的人为操控，进而可有效调节辐射指标及电路指标，实现天线指标可调；且该引向片设在辐射单元的上方，可减少在天线安装面上的占用空间，提高了天线空间利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的辐射单元方向图调控结构第一设置示意图；

图2是本发明提供的辐射单元方向图调控结构第二设置示意图；

图3是本发明提供的辐射单元方向图调控结构的第一示意图；

图4是本发明提供的辐射单元方向图调控结构的第二示意图；

图5为本发明提供的引向片设计原理图；

图6为本发明提供的全向低波宽高增益引向片俯视示意图。

附图标记：

1、金属谐振结构；2、介质基底；3、介质谐振结构；4、光敏树脂支撑结构；5、辐射单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图6描述本发明的辐射单元方向图调控结构及调控方法。

参考图1和图2，本实施例提供一种辐射单元方向图调控结构，该调控结构包括用于设在辐射单元5上方的引向片。引向片包括介质基板和设于介质基板上的呈规律性分布的若干个结构单元。引向片用于在辐射单元5的上方形成超表面实现对辐射单元方向图的调控。

若干个结构单元在介质基板上的分布是具有一定规律的，而并不是杂乱无章的。若干个结构单元在介质基板上的分布形成了超材料结构引向片。本实施例在现有的辐射单元5的辐射面正上方，引入超材料结构引向片，即以一定规律组合分布的结构单元，可以聚焦辐射单元发射的电磁波，从而达到降波宽提增益的目的，这对于原来仅通过金属边界调节天线而言是不容易的。

该辐射单元引向片的设计原理来源于超表面，超表面是一种可以对入射电磁波进行人为操控，从而达到需要的透射效果，因此可以用于辐射单元的电磁聚焦。

本实施例提供的一种辐射单元方向图调控结构，设置分布有结构单元的引向片，可在辐射单元的上方通过结构单元谐振使辐射单元辐射的电磁波在不同位置处发生相位突变，进而改变电磁波的传播路径，可实现辐射单元方向图的人为操控，进而可有效调节辐射指标及电路指标，实现天线指标可调；且该引向片设在辐射单元的上方，可减少在天线安装面上的占用空间，提高了天线空间利用率。

在上述实施例的基础上，进一步地，结构单元包括设于介质基板上的印刷电路结构；或者结构单元包括设于介质基板上的缝隙以及设于缝隙中的液态金属或磁性材料；或者结构单元包括设于介质基板上的通孔。

进一步地，介质基板包括FR4、FDMS、Ecoflex塑料、光敏树脂板或ABS塑料板。

本实施例提出的辐射单元引向片上，按照材料分类可以包括两种制备方式，通过PCB印刷技术制备金属谐振结构1阵列；或通过3D打印技术制备全介质谐振结构3，两种制备方式均能制备出需要功能的引向片。

具体的，参考图1和图3为金属谐振结构1的引向片俯视示意图，结构单元通过PCB印刷电路的方式进行制备，金属为铜；介质基板为FR4介质基底2。结构单元也可是液态金属及其介质基板的组合；液态金属可以是水银或镓基合金；介质基板为PDMS或Ecoflex塑料。可在介质基板上设缝隙，缝隙可为设在介质基板表面的槽或者设在介质基板内部的通道。液态金属填充在槽或者通道中。本实施例中结构单元呈十字形。特定规则形状的金属谐振结构1在介质基板上阵列分布，结构单元使辐射单元辐射的电磁波在不同位置处发生相位突变，进而改变电磁波的传播路径，最终实现辐射单元方向图的人为操控。

图2和图4为介质谐振结构3引向片俯视示意图。通过3D打印技术制备介质基板；介质基板常为光敏树脂支撑结构4或ABS塑料。本实施例中结构单元呈圆形。具体的，可在介质基板的表面设置圆形槽形成圆形缝隙。在圆形缝隙中填充磁性或其他特殊性质的非金属材料，从而控制辐射单元引向片单方向上的相位梯度变化分布，因此也可使用非金属材料实现相同功能，而填充介质常为具有特殊性质的材料，包括空气或磁性材料。

在填充介质为空气时，即在介质基板上只设置缝隙并没有填充材料。缝隙可为设在介质基板表面的槽或者设在介质基板内部的通道。进一步地，还可在介质基板上设置通孔作为结构单元。即介质基板上规律分布有多个通孔。

在上述实施例的基础上，进一步地，每个结构单元均呈中心对称结构；以满足辐射单元为双极化的需要，在两种极化模式状态下均可以使用。若干个结构单元整体呈对称结构。结构单元的形状不限于十字形和圆形，也可为其他呈中心对称的结构，例如环形等，不做限定。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图3和图4，若干个结构单元呈阵列分布，任一列中的结构单元的尺寸相同，在阵列对称线的一侧不同列中的结构单元的尺寸不同。参考图5，该种设计结构可以实现辐射单元的电磁波汇聚成一条线。引向片上不同位置的结构单元的尺寸根据实际需要设置为相同或不同；用来实现辐射单元的方向图满足要求。

如图5所示为低波宽高增益引向片设计原理图。辐射单元辐射的电磁波入射到超材料引向片上，为了降低方向图的波宽并提高增益，需将经过引向片透射的电磁波向一点聚集。从图5中可以看出，对于不同入射位置的电磁波行走的光程并不相同，h对应的值越大，即离中心位置越远，波的行走路径越长，因此需要在引向片不同位置上弥补对应的光程差，这便需要入射引向片的电磁波发生相位突变，辐射单元引向片上的结构单元正好迎合了该需求。因此，不同位置的结构单元因为需要弥补的光程差不同，结构单元之间的尺寸也会有所不同。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图6，若干个结构单元呈同心圆分布，且相邻两个圆上的结构单元的尺寸不同。该种结构单元的分布可实现辐射单元的电磁波汇聚至一点。

即若干个结构单元可成方形阵列分布，也可呈同心圆分布。辐射单元引向片其聚焦中心可为一条线；也可由一条线拓展至一个点，即透过引向片的电磁波聚焦于引向片相切球的球心，此时垂直波宽和水平波宽同时缩减，增益进一步增高。

在上述实施例的基础上，进一步地，介质基板用于与辐射单元间隔设置；若干个结构单元所占的面积大于辐射单元的辐射面面积。介质基板可固定于辐射单元；可将引向片直接连接在辐射单元的辐射面基板上进行固定，以简化结构，减少对其他组件的影响。引向片也可连接在反射板上，不做限定。

进一步地，在结构单元为设于介质基板上的印刷电路结构；或者结构单元为设于介质基板上的缝隙以及设于缝隙中的液态金属或磁性材料时，结构单元设于介质基板背离辐射单元的一侧。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种辐射单元方向图调控方法，该辐射单元方向图调控方法基于上述任一实施例所述的辐射单元方向图调控结构，包括：在辐射单元上方设置分布有结构单元的引向片以在辐射单元上方形成超表面；利用引向片形成的超表面，实现对辐射单元方向图的调控。

电磁超材料是一种可以人为操控电磁波传输路径的一种结构性材料，依据设计规律将单元按照一定的顺序排列，可实现异常反射、异常折射或光学聚焦等特异性功能，这是自然界中材料不具备的。本实施例正是利用该特征，将其应用到基站天线方向图调试的方法中，从而在需求频段，对方向图进行人为可控的调节，进而可进行天线指标的调试。

进一步地，利用引向片形成的超表面，实现对辐射单元方向图的调控具体包括：确定辐射单元的目标方向图指标；根据目标方向图指标，设计确定所适用的引向片上结构单元的分布形式、形状和尺寸。使得设计确定的引向片上结构单元的分布形式、形状和尺寸能够实现目标方向图指标；进而实现辐射单元方向图的调控。

在上述实施例的基础上，进一步地，根据目标方向图指标，设计确定所适用的引向片上结构单元的分布形式、形状和尺寸具体包括：根据目标方向图指标，确定引向片上结构单元的分布形式。具体的，在目标方向图指标是实现一个方向上的波束收敛的话，设计结构单元呈阵列分布；在目标方向图指标是实现两个方向上的波束收敛的话，设计结构单元呈同心圆分布。根据目标方向图指标以及结构单元的分布形式，确定结构单元的目标相位；根据结构单元的目标相位，确定结构单元的形状和尺寸。

在上述实施例的基础上，进一步地，根据目标方向图指标以及结构单元的分布形式，确定结构单元的目标相位具体包括：根据以下公式确定结构单元的目标相位：

其中，

为目标相位，k为波矢，R为波束聚焦半径，h为结构单元对应的位置。

其中，波失k由辐射单元的具体工作频段确定。波束聚焦半径R为根据实际需要人为确定的目标方向图指标。h为结构单元相对中心位置的间距，根据结构单元的分布形式即可确定。在结构单元为阵列分布时，用于实现一个方向上的波束收敛，此时h为结构单元在该方向上与中心位置之间的间距。在结构单元为同心圆分布时，用于实现两个方向上的波束收敛，此时h为结构单元所在圆的半径。

在上述实施例的基础上，进一步地，根据结构单元的目标相位，确定结构单元的形状和尺寸具体包括：设定结构单元的形状和尺寸；利用仿真软件的参数扫描功能获得在该设定的形状和尺寸下，结构单元的目标相位的覆盖范围；判断结构单元的目标相位的覆盖范围是否满足360°范围；若是，则以该设定的形状和尺寸作为结构单元确定的形状和尺寸。若否，则调整设定的结构单元的形状和尺寸，直至设定的结构单元的形状和尺寸满足目标相位的覆盖范围。即采用先假设结构单元的形状和尺寸，再去验证的方法来确定结构单元的形状和尺寸。使得结构单元的形状和尺寸能够满足目标相位的覆盖范围即可。即结构单元最终的形状和尺寸不唯一。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提出了一种低波宽高增益的辐射单元引向片，并给出了对应的设计方法，用于解决天线辐射指标调节困难的问题。高增益低波宽的辐射单元引向片，其结构为规律性结构单元阵列，包括特定尺寸结构单元以及固定它的介质层。结构单元可以是特定的金属结构阵列，也可以是有规律的多种介质混合结构单元阵列。引向片表面的规律性结构单元尺寸不相同，对应尺寸通过公式确定。辐射单元引向片可以应用于不同频段的辐射单元，不同的频段对应着不同尺寸的结构单元阵列。引向片的设计可根据辐射单元的工作频段进行适应性调整，从而满足大多数辐射单元的功能需求。

接下来将对辐射单元引向片具体设计过程进行阐述，由图5可知，辐射单元引向片上结构单元的相位应满足：

其中，k为波矢，R为波束聚焦半径，h为超材料结构单元对应的位置坐标。

由于相位的取值范围为0-360°，因此在设计辐射单元引向片的过程中，所选用的结构单元必须满足360°范围内的相位覆盖，即通过改变单元的结构尺寸，使得结构单元的相位需囊括360°，以便当计算出引向片不同位置相位时，均可以找出符合要求的结构单元。因此找出适用于引向片设计的结构单元是至关重要的。这个过程通常是通过仿真软件的参数扫描功能来实现；仿真软件的参数扫描过程具体包括：对设定的结构单元四周添加周期性边界，垂直表面方向上添加激励端口，通过参数扫描获得设定结构单元的相位覆盖范围，以检验设定的结构单元是否符合设计要求。

通过控制聚焦半径R的尺寸，人为控制调节辐射单元波宽的降低程度是可行的。不同尺寸的聚焦半径对应着不同大小的波束波宽，R越小对应着波宽越窄，增益越高。所设计的辐射单元引向片可工作于设计频点处的一段频带，随着工作频率逐渐远离设计频点，波束的汇聚效果逐渐减弱。

辐射单元引向片不限于单纯一个方向上的波束收敛，也可以通过结构性设计实现二维平面内的波束收敛，从而达到同时调节垂直波宽和水平波宽的效果。即所设计的辐射单元引向片不仅限于单方向的降波宽提增益的功能，还可实现360°全向上的波束聚集，同时压缩水平波宽和垂直波宽，进一步提高辐射单元的波束增益，可根据际需求设计。如图6所示为全向的低波宽高增益引向片俯视示意图，在该引向片的设计过程中，上述公式依然适用，只是公式中的h指代定位圆的半径，一旦位置确定，则该位置处单元结构对应的相位也为定值，则引向片的结构完全确定。全向的辐射单元引向片与之前阐述的引向片不同，它不再是将波束汇聚成一条线，而聚集在一个点上即半径为R的球心，相较之前会获得更高的增益。

本实施例设计了一种低波宽高增益的辐射单元引向片，其包括：金属或非金属规律性结构功能层，及支撑功能层结构的介质固定层。所设计的辐射单元引向片为特定规则形状的金属或非金属结构在介质板上排列。引向片中，各结构单元的结构尺寸由其相位决定，而相位可以通过公式计算得到。结构单元谐振使辐射单元辐射的电磁波在不同位置处发生相位突变，进而改变电磁波的传播路径，最终实现辐射单元方向图的人为操控。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种辐射单元方向图调控结构，其特征在于，包括用于设在辐射单元上方的引向片，所述引向片包括介质基板和设于所述介质基板上的呈规律性分布的若干个结构单元，所述引向片用于在辐射单元的上方形成超表面实现对辐射单元方向图的调控。

2.根据权利要求1所述的辐射单元方向图调控结构，其特征在于，所述结构单元包括设于所述介质基板上的印刷电路结构；或者所述结构单元包括设于所述介质基板上的缝隙以及设于所述缝隙中的液态金属或磁性材料；或者所述结构单元包括设于所述介质基板上的通孔。

3.根据权利要求1所述的辐射单元方向图调控结构，其特征在于，每个所述结构单元均呈中心对称结构；若干个所述结构单元整体呈对称结构。

4.根据权利要求3所述的辐射单元方向图调控结构，其特征在于，若干个所述结构单元呈阵列分布，任一列中的所述结构单元的尺寸相同，在阵列对称线的一侧不同列中的所述结构单元的尺寸不同。

5.根据权利要求3所述的辐射单元方向图调控结构，其特征在于，若干个所述结构单元呈同心圆分布，且相邻两个圆上的所述结构单元的尺寸不同。

6.一种辐射单元方向图调控方法，其特征在于，基于上述权利要求1-5任一所述的辐射单元方向图调控结构，包括：

在辐射单元上方设置分布有结构单元的引向片以在辐射单元上方形成超表面；

利用引向片形成的超表面，实现对辐射单元方向图的调控。

7.根据权利要求6所述的辐射单元方向图调控方法，其特征在于，利用引向片形成的超表面，实现对辐射单元方向图的调控具体包括：

确定辐射单元的目标方向图指标；

根据目标方向图指标，设计确定所适用的引向片上结构单元的分布形式、形状和尺寸。

8.根据权利要求7所述的辐射单元方向图调控方法，其特征在于，根据目标方向图指标，设计确定所适用的引向片上结构单元的分布形式、形状和尺寸具体包括：

根据目标方向图指标，确定引向片上结构单元的分布形式；

根据目标方向图指标以及结构单元的分布形式，确定结构单元的目标相位；

根据结构单元的目标相位，确定结构单元的形状和尺寸。

9.根据权利要求8所述的辐射单元方向图调控方法，其特征在于，根据目标方向图指标以及结构单元的分布形式，确定结构单元的目标相位具体包括：

根据以下公式确定结构单元的目标相位：

其中，

为目标相位，k为波矢，R为波束聚焦半径，h为结构单元对应的位置。

10.根据权利要求8所述的辐射单元方向图调控方法，其特征在于，根据结构单元的目标相位，确定结构单元的形状和尺寸具体包括：

设定结构单元的形状和尺寸；

利用仿真软件的参数扫描功能获得在该设定的形状和尺寸下，结构单元的目标相位的覆盖范围；

判断结构单元的目标相位的覆盖范围是否满足360°范围；

若是，则以该设定的形状和尺寸作为结构单元确定的形状和尺寸。

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